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一种压电发电机 流体动力声源激振方法

阅读：797发布：2020-07-15

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权利要求

1.一种压电发电机流体动力声源激振方法，其特征在于：
一个等截面环隙进气口：提供狭窄状侧隙，具有流态转捩快、趋于均匀快、整流作用明显、气流速度均匀对称恢复能力强等优点，转捩点紧靠进气口；
一个维多辛斯基喷嘴：提供进气道内速度场发展分布均匀快的湍流、喷嘴出流口形成旋涡脱落诱发脉动压力场的喷注，能够提高喷嘴的工作效率；
一个流体动力声源：在喷嘴、空腔和声管三者之间的耦合作用下，旋涡脱落的脉动压力场冲击突变截面声管口部尖棱，产生边棱音，形成较高频、小振幅流体动力声源，并且旋涡脱落频率被声波频率所俘获，为压电换能器提供稳定的振动频率；
一个气流致声强制振动机构：突变截面收缩声管和周边固定压电片构成的强制振动结构，使旋涡诱发的声波全反射叠加，在声管内合成声压振幅达到极大值形成驻波，放大声强，提高振动频率和压电换能器的输出电能；
外部气流经过等截面环隙进气口、维多辛斯基喷嘴的气流调节，在近管口处迅速转捩为湍流，使得在一个收缩喷口能够形成喷注，诱发旋涡和脱落现象，产生周期性“卡门涡街”压力场，在一个带尖棱的突变截面声管口部生成边棱音，经声管反射的声波在收缩喷口与“涡街”耦合，发生旋涡脱落频率被反射声波频率所俘获的现象，声波声强被放大并很快在声管内合成稳定的驻波，压电换能器和驻波谐振；在声波到达压电换能器之前放大了声源频率，在相同的时间内能够产生更多的振动，从而使得压电换能器的输出电能最大，提供几十至几百毫瓦电功率。
2.一种流体动力声源激振的压电发电机，包括进气口、喷嘴、声管构成的振动结构、固定在声管底部的压电换能器；其中，外壳的一端与堵塞形成进气口，喷嘴内孔为变截面收缩气道；另一端顺序排列有声管、压电片，通过外端盖板与外壳固连，并将压电片紧压在声管末端；喷嘴与声管间留有空腔。
3.根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于：
所述的堵塞为扁圆柱体结构，镶嵌在外壳内形成的狭窄状侧隙构成进气口；所述的喷嘴内孔流道形线为维多辛斯基曲线。
4.根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于：
喷嘴与声管同轴，通过堵塞紧压在外壳上；喷嘴的收缩口置于空腔内，与声管前端口保持一定距离，构成一个声波正反馈系统。
5.根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于：
所述的声管前端口有内倒角构成尖棱，对准喷嘴的收缩口；声管末端外侧放置压电片构成固有频率等于声波频率的压电换能器。
6.根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于：
所述的外壳在空腔位置周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔，前端与堵塞、后端与盖板螺纹连接，中间段与喷嘴、声管间隙配合。

说明书全文

一种压电发电机 流体动力声源激振方法

技术领域

[0001] 本发明提供一种压电发电机流体动力声源激振方法，涉及利用气流诱发声波的流体动力声源、激励压电换能器输出电能的装置，属于气流压电发电技术领域。

背景技术

[0002] 振动压电发电机关键在于高效机电能量转换和高功率采集电路。各种高功率采集电路，无论是使用标准接口电路，还是基于开关的同步电路，其理论和设计较成熟，已开发各种低损耗能量采集电路，结构基本相同。机电换能器的关键在于高性能压电材料或压电复合材料，及其制备工艺，这属于材料领域。振动式压电换能系统的采集功率决定于输入振动信号的频率、发电器的质量、压电换能装置的机电耦合系数等，为了满足发电机输出功率、电压值，如何更加有效地将自然存在的气流转化为电能，是当前世界性的难题之一。目前，气流压力直接作用于压电换能器发电机，一般是悬臂梁式机械激励结构和多层压电换能器，存在尺寸大、结构复杂、产品合格率低等问题。

[0003] 振源来自环境中风、气流的振动压电发电机，是一种清洁的再生能源。激励来自工作环境中的自然风（或迎面空气产生的气流）的供电系统，其风速低，范围1～10m/s，即1～5级的微风、和风，发电机都采用水平轴或垂直轴涡轮式旋转结构，靠风或气流直接推动涡轮叶片转动激励的磁电换能器发电。对于一般设备或系统的自供电系统来说，涡轮发电机存在安装场地困难、体积庞大、结构复杂，叶轮、涡轮等活动零件强度低、噪声大，磁电换能易造成电磁污染等问题。

[0004] 中国发明专利“一种基于压电效应的微风发电装置”（专利号：CN201210277507.2，南京航空航天大学周成锋等），公开了一种基于压电效应的微风发电装置,包括底板以及设置在底板上的压电阵子和升力型风机,在升力型风机的转轴上连接有带齿的凸轮,压电阵子均布在凸轮的外侧,凸轮的齿顶为尖顶,凸轮的齿数为N,压电阵子的个数为M，最低时速4公里的微风环境中工作，输出功率达到15mW。该发明采用旋转的风机和凸轮齿激励压电振子，系统强度低，抗干扰能力低，结构复杂、体积偏大。

[0005] 美国专利“Forced vibration piezo generator and piezo actuator Sapir”(专利号：US 8040022, Sapir; Itzhak Irvine, CA)，公布了一种使用一个或多个悬臂梁式压电阵列的气流致振压电发电机，压电发电系统包括多个压电发生器模块，每个压电发电机模块包括多个压电悬臂梁和流体压力调节器，流体压力调节器设置在每个悬臂梁上，有节流活塞和排气孔。该发明依靠直线运动的活塞机构来调节气流和悬臂梁式压电阵列，同样，存在系统强度低、抗干扰差、结构复杂、体积大的问题。

发明内容

[0006] 本发明提供一种压电发电机流体动力声源激振方法，是将外部气流调节后产生声波，由该流体动力声源激励压电换能器振动，来实现振动-电能的转换，可制成一种气流致声振动压电发电机。

[0007] 本发明所述的一种压电发电机流体动力声源激振方法，其特征在于：一个等截面环隙进气口：提供狭窄状侧隙，具有流态转捩快、趋于均匀快、整流作用明显、气流速度均匀对称恢复能力强等优点，转捩点紧靠进气口。

[0008] 一个维多辛斯基喷嘴：提供进气道内速度场发展分布均匀快的湍流、喷嘴出流口形成旋涡脱落诱发脉动压力场的喷注，能够提高喷嘴的工作效率。

[0009] 一个流体动力声源：在喷嘴、空腔和声管三者之间的耦合作用下，旋涡脱落的脉动压力场冲击突变截面声管口部尖棱，产生边棱音，形成较高频、小振幅流体动力声源，并且旋涡脱落频率被声波频率所俘获，为压电换能器提供稳定的振动频率。

[0010] 一个气流致声强制振动机构：突变截面收缩声管和周边固定压电片构成的强制振动结构，使旋涡诱发的声波全反射叠加，在声管内合成声压振幅达到极大值形成驻波，声强被放大，提高振动频率和压电换能器的输出电能。

[0011] 本发明研制流体动力声源激振的压电发电机，包括等截面环隙进气口、维多辛斯基喷嘴、突变截面声管、周边固定压电片。喷嘴-声管激振的气流致声激振过程，是一个复杂的非线性过程，由“涡街”、边棱音、空腔-声管结构三者的流-声-固耦合作用而形成，有利于提高压电换能器转换效率和发电机输出功率。

[0012] 外部气流经过等截面环隙进气口、维多辛斯基喷嘴的气流调节，在近管口处迅速转捩为湍流，使得在一个收缩喷口能够形成喷注，诱发旋涡和脱落现象，产生周期性“卡门涡街”压力场，在一个带尖棱的突变截面声管口部生成边棱音，经声管反射的声波在收缩喷口与“涡街”耦合，发生旋涡脱落频率被反射声波频率所俘获的现象，声波声强被放大并很快在声管内合成稳定的驻波，压电换能器和驻波谐振。在声波到达压电换能器之前放大了声源频率，在相同的时间内能够产生更多的振动，从而使得压电换能器的输出电能最大，提供几十至几百毫瓦电功率。

[0013] 本发明的积极效果在于：本发明利用气流流过管道后气流产生的变化特性和声波在空腔、管孔内传播引起结构振动的特性，提供了一种新型的无活动零件的气流致声压电发电强制振动装置，具有机械自调制气流激发流体动力声源的非线性振动机械系统，满足汽车、无人驾驶车辆、武器应用系统、航天航空系统、机器人、城市或小区照明等各种领域的应用系统自供电的需求，充分利用清洁的可再生能源，具有重要的理论价值和工程指导意义。

[0014] 附图说明：图1为本发明整体结构原理图；
图2为本发明气流流动示意图；
图3为本发明堵塞1结构原理图；
图4为本发明声管4结构原理图；
图5为本发明喷嘴2结构原理图；
图6是恒定气压的入流速度-声管底部振动压力频率曲线。

[0015] 图7是不同声管长度下入流速度与声管底部振动压力频率的测试曲线；图8是不同喷嘴-声管间距H下入流速度与声管底部振动压力频率的测试曲线；
图9为入流速度与压电换能器输出单相交流电压曲线；
图10为入流速度为53m/s时，压电换能器输出电压随时间的变化曲线；
图11为输出电压有效值U与负载R的关系，结果表明，阻抗匹配下，电压有效值稳定；
图12、图13分别为输出功率和转换效率与负载的关系；
图中，1、堵塞；2、喷嘴；3、外壳；4、声管；5、压电换能器；6、外端盖板；7、排气口；D、进气口；E、空腔；H、；Q1、外部气流；Q2、湍流；F、收缩口；G、尖棱。

具体实施方式

[0016] 下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0017] 实施例1根据图1～图5所示，本发明装置主要由包括进气口D、喷嘴2、声管4构成的振动结构、固定在声管4底部的压电片5；其中，外壳3的一端与堵塞1形成进气口D，喷嘴2内孔是维多辛斯基结构；另一端顺序排列有声管4、压电片5，通过外端盖板6与外壳3固连，并将压电片5紧压在声管4末端；喷嘴2与声管4间留有空腔E。

[0018] 如图3所示，所述的进气口D为外壳3与堵塞1形成的狭窄状侧隙，堵塞1是外螺纹结构，圆柱基本体上1/2半径处两对称平面铣削成结构。

[0019] 如图5所示，所述的喷嘴2为变截面收缩气道，内部流道形线为维多辛斯基曲线；喷嘴2与声管4同轴，通过堵塞1紧压在外壳3上；喷嘴2的收缩口F置于空腔E内，与声管4前端口距离H，构成一个声波正反馈系统。

[0020] 如图4所示，所述的声管4为具有声波分界面O-O的突变截面收缩管，声管直径D2和D3与声波波长λ之比小于0.5，声管长度B1与声波波长 λ之比等于0.25，通过盖板6紧压；声管4前端口有内倒角构成尖棱G，对准喷嘴2的收缩口F；声管4末端外侧放置压电片5构成固有频率等于声波频率的压电换能器；声波频率f与声速 c、声管长度B1满足关系式：。

[0021] 所述的压电片5由压电PZT陶瓷制成，置于声管4的底部，由盖板6夹紧，构成声管4的刚性壁面M-M。

[0022] 所述的外壳3 在空腔E位置周向开有8个垂直轴或倾斜的排气孔7，前端与堵塞1、后端与盖板6 螺纹连接，中间段与喷嘴2、声管4间隙配合。

[0023] 如图2所示，外部气流Q1多为层流，经过进气口D迅速转捩为湍流Q2，经过喷嘴2的收缩口F在空腔E内形成喷注，喷注通过空腔E时与腔内静止的空气相遇，喷注的边界上因高速流与静止介质的接触，发生旋涡和脱落现象，产生一个周期性变化的“卡门涡街”压力场，以压缩波的形式向声管4传播，在声管4前端口的尖棱G生成边棱音，声波经声管4内的直径D2孔、直径D3孔到达分界面O-O时将反射和透射，透射波到达刚性壁面M-M也反射，反射回收缩口F的声波与“涡街”耦合放大声强，“涡街”的旋涡脱落频率被反射声波频率所俘获并放大，最终在声管4内合成驻波频率等于俘获频率，压电换能器和驻波谐振，振幅达到最大值，压电换能输出功率最大。

[0024] 图6是恒定气压的入流速度-声管底部振动压力频率曲线。结果表明，压力频率明显地被放大了，随着入流速度的变化测得声管底部M-M面上振动压力频率几乎不变。

[0025] 图7是不同声管长度B1下入流速度与声管底部M-M面上振动压力频率的测试曲线，结果表明，声管长度B1是决定振动压力频率的主要参数，短管频率更大。

[0026] 图8是不同喷嘴-声管间距H下入流速度与声管底部振动压力频率的测试曲线，结果表明，不同间距H下，声波频率和振动压力频率几乎不变。

[0027] 图9为入流速度与压电换能器输出单相交流电压曲线，结果表明，随着入流速度的增加压电换能器的输出电压增大。

[0028] 图10为入流速度为53m/s时压电换能器输出电压随时间的变化曲线，电压幅值稳定，峰峰值在4V以上，频率达到7.576kHz。

[0029] 图11为输出电压有效值U与负载 R关系，结果表明，阻抗匹配下电压有效值稳定。

[0030] 图12、图13分别为输出功率和转换效率与负载关系，结果表明，阻抗匹配下输出功率高达80mW以上，转换效率高于1.2。

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